射頻器件概述

射頻器件是無線連接的核心，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的基礎(chǔ)零件，有著廣泛的應(yīng)用。

射頻器件包括射頻開關(guān)和LNA，射頻PA，濾波器，天線Tuner和毫米波FEM等

其中濾波器占射頻器件市場(chǎng)額約50%，射頻PA占約30%，射頻開關(guān)和LNA占約10%，其他占約10%。

可以看到，濾波器和PA是射頻器件的重要部分，PA負(fù)責(zé)發(fā)射通道的信號(hào)放大，濾波器負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)接收信號(hào)的濾波。

目前，射頻器件的主要市場(chǎng)如下：

手機(jī)和通訊模塊市場(chǎng)，約占80%；

WIFI路由器市場(chǎng)，約占9%；

通訊基站市場(chǎng)，約占9%；

NB-IoT市場(chǎng)，約占2%。

如今隨著5G技術(shù)的日趨成熟，商業(yè)化趨勢(shì)正在加速。

5G需要支持新的頻段和通信制式，作為無線連接的核心，射頻前端中的濾波器、功率放大器、開關(guān)、天線、調(diào)諧器等核心器件成為當(dāng)前市場(chǎng)的風(fēng)口。

分析機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2023年射頻前端市場(chǎng)規(guī)模有望突破352億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到14%。

快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)讓行業(yè)看到了機(jī)會(huì)，新的射頻公司在不斷地涌現(xiàn)出來，國(guó)內(nèi)射頻廠商打造自主射頻供應(yīng)鏈就成為很多廠商的追求，但縱觀現(xiàn)狀，差距仍舊明顯。

著眼國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，在本土射頻廠商的合力下，2G射頻器件替代率高達(dá)95%，3G替代率85%，4G替代率只有15%，而在5G射頻領(lǐng)域替代率基本為零。

此外，射頻器件各工藝制造和封測(cè)均可由國(guó)內(nèi)廠商完成。

國(guó)內(nèi)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟，從設(shè)計(jì)到晶圓代工，再到封測(cè)，已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

但是從國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力來講，國(guó)內(nèi)的射頻設(shè)計(jì)水平還處在中低端，上述射頻器件廠商，銷售額和市場(chǎng)占比與國(guó)際大廠相比仍存在較大差距。

可見，國(guó)內(nèi)廠商依然在起步階段，還有很大的成長(zhǎng)空間。

反觀國(guó)際射頻產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)布局，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在SAW濾波器中，全球80%的市場(chǎng)份額被村田（濾波器典型產(chǎn)品：SF2433D、SF2038C-1、SF2037C-1 等）、TDK（濾波器典型產(chǎn)品：DEA162690LT-5057C1、DEA165150HT-8025C2、DEA252593BT-2074A3 ）、TAIYO YUDEN（射頻器件：D5DA737M5K2H2-Z、AH212M245001-T 等）等瓜分，在4G/5G中應(yīng)用的BAW濾波器則被博通和Qorvo占據(jù)了95%的市場(chǎng)空間，PA芯片則超過全球90%的市場(chǎng)集中在Skyworks、Qorvo和博通手中。

在占據(jù)絕大部分市場(chǎng)之余，上述射頻廠商基本完成了射頻前端全產(chǎn)品線布局，擁有專用的制造和封裝鏈條，以IDM模式鞏固在設(shè)計(jì)能力、產(chǎn)品性能以及產(chǎn)能掌控的巨大優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，專利技術(shù)儲(chǔ)備也讓射頻巨頭有了更寬闊的護(hù)城河，使后來者短期內(nèi)難以超越。

射頻器件的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

4G到5G的演進(jìn)過程中，射頻器件的復(fù)雜度逐漸提升qi，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、工藝、材料等方面都將發(fā)生遞進(jìn)式的變化。

同時(shí)，射頻前端仍面臨許多諸如功耗、尺寸、天線數(shù)量、芯片設(shè)計(jì)、溫漂、信號(hào)干擾、不同類型信號(hào)和諧共存等技術(shù)端的難題。

如何解決這些問題，成為當(dāng)下業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，也是射頻器件的創(chuàng)新所在。

隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，Si、GaAs、GaN等射頻材料，陶瓷、玻璃等封裝基板材料更迭帶來的功耗、效率、發(fā)熱問題、尺寸等方面的改善之于射頻器件的發(fā)展自然是重要的創(chuàng)新之處。

但在材料創(chuàng)新之外，射頻器件還有哪些創(chuàng)新的途徑？

制造工藝

目前，射頻器件涉及的主要工藝為GaAs、SOI、CMOS、SiGe等。

GaAs：

GaAs的電子遷移速率較好，適合用于長(zhǎng)距離、長(zhǎng)通信時(shí)間的高頻電路。

GaAs元件因電子遷移速率比Si高很多，因此采用特殊的工藝，早期為MESFET金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，后面演變?yōu)镠EMT（高速電子遷移率晶體管），pHEMT（介面應(yīng)變式高電子遷移電晶體），目前為HBT（異質(zhì)接面雙載子晶體管）。

GaAs生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式大不相同，GaAs需要采用磊晶技術(shù)制造，這種磊晶圓的直徑通常為4-6英寸，比硅晶圓的12英寸要小得多。

磊晶圓需要特殊的機(jī)臺(tái)，同時(shí)砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導(dǎo)致GaAs成品IC成本比較高；

SOI：

SOI工藝的優(yōu)勢(shì)在于可集成邏輯與控制功能，不需要額外的控制芯片；

CMOS：

CMOS工藝的優(yōu)勢(shì)在于可以將射頻、基頻與存儲(chǔ)器等組件合而為一的高整合度，并同時(shí)降低組件成本；

SiGe：

近年來，SiGe已成了最被重視的無線通信IC制程技術(shù)之一。

依材料特性來看，SiGe高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，具成本較低的優(yōu)勢(shì)。

SiGe既擁有硅工藝的集成度、良率和成本優(yōu)勢(shì)，又具備第3到第5類半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)在速度方面的優(yōu)點(diǎn)。

只要增加金屬和介質(zhì)疊層來降低寄生電容和電感，就可以采用SiGe半導(dǎo)體技術(shù)集成高質(zhì)量無源部件。

SiGe工藝幾乎能夠與硅半導(dǎo)體超大規(guī)模集成電路中的所有新工藝技術(shù)兼容，是未來的趨勢(shì)。

不過SiGe要想取代砷化鎵的地位還需要繼續(xù)在擊穿電壓、截止頻率、功率等方面繼續(xù)努力。

射頻PA采用的工藝分別是GaAs、SOI、CMOS和SiGe；

射頻開關(guān)采用SOI、GaAs工藝；LTE LNA采用的工藝多為SOI、CMOS。

進(jìn)入5G時(shí)代，Sub-6GHz和毫米波階段各射頻元器件的材料和技術(shù)可能會(huì)有所變化。

SOI有可能成為重要技術(shù)，具有制作多種元器件的潛力，同時(shí)后續(xù)有利于集成。

解決天線問題

以手機(jī)為例，由于5G技術(shù)的特殊要求，從智能手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)上來看，5G需求更高的數(shù)據(jù)速率，需要更多的天線。

這些天線包括多頻帶載波聚合、4x4 MIMO與Wi-Fi MIMO。

從而帶來了在天線調(diào)諧方面、放大器線性和功耗，還有其他系統(tǒng)干擾方面上的挑戰(zhàn)。

同時(shí)，天線數(shù)量增多留給天線空間越來越小。

因此，射頻廠商可以把GPS、WiFi、中頻、高頻和超高頻等射頻通道共用一個(gè)天線，可以達(dá)到減少天線數(shù)量，節(jié)省空間的目的。

現(xiàn)今毫米波天線主流成熟的方案為AiP（antenna-in-package）的模塊化設(shè)計(jì)，AiP方案主要因其RFIC與毫米波天線陣列相距較近，而有低路損的優(yōu)點(diǎn)，故AiP方案已被眾多學(xué)者專家深入地進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)。

目前AiP封裝天線技術(shù)正沿著兩個(gè)技術(shù)路徑發(fā)展。

一個(gè)稱之為扇出型封裝天線技術(shù)（FO-AiP），另外一個(gè)稱之為覆晶型封裝天線技術(shù)（FC-AiP）。

兩者區(qū)別在于一個(gè)有基板（Substrate），一個(gè)沒基板。

集成度

未來濾波器等射頻器件將呈現(xiàn)向小型化、改進(jìn)器件形式、組合式邁進(jìn)的趨勢(shì)。

就像十年前的4G，LTE連接建立在已有的3G技術(shù)之上一樣；

早期的5G功能是通過添加獨(dú)立的芯片組到現(xiàn)有的LTE設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，這意味著5G組件基本上像是用螺栓外掛在智能手機(jī)設(shè)計(jì)上，而不是被融合進(jìn)核心芯片組中，但對(duì)于芯片尺寸、性能和功耗都帶來了一定影響。

例如單模5G調(diào)制解調(diào)器，5G射頻收發(fā)器和單頻段5G 射頻前端，它們獨(dú)立與現(xiàn)有的LTE 射頻鏈路。

這種初代5G調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)還需要額外的支持部件。

因此，隨著行業(yè)的成熟，提高射頻器件集成度是必然的發(fā)展方向，業(yè)界將期待核心電路設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。

一個(gè)高度集成和緊湊的射頻架構(gòu)用來在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)支持Sub 6GHz和毫米波段5G將成為人們的期待。

封裝方式

5G時(shí)代，射頻廠商愈加關(guān)注射頻前端解決方案中的封裝創(chuàng)新，如更緊密的元件布局、雙面貼裝、共形/劃區(qū)屏蔽、高精度/高速SMT等。

5G頻段分為毫米波和sub-6G，越高頻段對(duì)于小型化封裝的要求也就越高，通過新型封裝形式去逐步實(shí)現(xiàn)器件封裝的微型化、可量產(chǎn)、低成本、高精度、集成化。

為將天線元件與射頻組件集成用于5G移動(dòng)通信，市場(chǎng)上提出了不同架構(gòu)的多種封裝解決方案?；诔杀竞统墒斓墓?yīng)鏈，扇出型WLP/PLP封裝得益于較高的信號(hào)性能、低損耗和縮小的外形尺寸，是一種很有前景的AiP集成解決方案，但它需要雙面重布線層（RDL）。

除少數(shù)廠商，大部分OSAT尚未準(zhǔn)備好利用該技術(shù)大規(guī)模制造。

在系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）部分，分為芯片/晶圓級(jí)濾波器、開關(guān)和放大器等各種射頻器件的一級(jí)封裝以及在表面貼裝（SMT）階段進(jìn)行的二級(jí)SiP封裝，其中各種器件與無源器件一起組裝在SiP基板上。

SiP提供了所需要的小尺寸、更短的信號(hào)路徑和更低的損耗。

同時(shí)由于不斷增加的功能對(duì)集成度有了更高要求，市場(chǎng)對(duì)SiP封裝方法也提出了更多需求。

可見，關(guān)于射頻器件封裝的理想解決方案近年來有許多研究，致力于在成本、體積和性能需求之間謀求平衡，未來也將是射頻器件的創(chuàng)新方式之一。

審核編輯：湯梓紅